Objetivos

Os seguintes pontos constituem os objetivos deste trabalho:

a) investigar os efeitos das propriedades dos minerais e da fase líquida no status da suspensão de partículas grossas (diâmetro maior ou igual a 100 m) em células mecânicas de flotação;

b) caracterizar o desempenho de impelidores das células Wemco e Denver em escala de laboratório, e sua influência na suspensão de sólidos;

c) utilizar um modelo matemático empírico para descrever a rotação mínima do impelidor capaz de promover a retirada dos sólidos do fundo do tanque, comparando os resultados de suspensão em célula de laboratório (Denver e

Wemco, ambas de 6 L) com os reportados na literatura em célula piloto Bateman de 125 L;

d) caracterizar o status da suspensão das partículas, por meio da determinação do perfil de concentração dos sólidos em células de laboratório (Denver) e piloto (célula Metso RCS^TM de 3m³), em diferentes condições operacionais (rotação do impelidor e vazão de alimentação de ar);

e) caracterização hidrodinâmica de células de flotação de laboratório (velocidade superficial do ar) e a de seus respectivos impelidores (capacidade de bombeamento e turbulência).

Capítulo 2

Revisão Bibliográfica

No âmbito da tecnologia mineral, a flotação é uma operação unitária utilizada para separar partículas de espécies minerais que exibem caráter hidrofóbico (natural ou induzido pela ação de agentes coletores) daquelas que exibem caráter hidrofílico. As primeiras, após colidir com as bolhas, tendem à adesão, reportando-se a uma camada de espuma que se forma no topo dos equipamentos que realizam a separação, ou seja, as células de flotação. Os minerais que exibem caráter hidrofílico, por não aderirem a bolhas de ar, tendem a afundar e serem removidos do sistema através da região inferior desses equipamentos.

Segundo Schulze (1989), os processos que governam a separação podem ser divididos em macro e microprocessos. Os primeiros ocorrem na escala dos equipamentos utilizados, gerando fluxo e distribuição de partículas sólidas e água ao longo do volume da célula (mistura) em decorrência da existência de macroturbulência gerada pelo sistema, enquanto que microprocessos compreendem interações que ocorrem nas escalas de tamanho das partículas e bolhas. Uma sucinta revisão do processo de flotação encontra-se na seção 2.1. Os principais equipamentos usados para concentrar minerais por flotação estão reunidos na seção 2.2. Embora a dispersão de bolhas de ar nas células de flotação seja decorrência da microturbulência, sua caracterização está associada a macroprocessos, como velocidade superficial do ar, diâmetro de bolhas e hold-up do ar. Uma revisão sobre este tema é apresentada na seção 2.3. Aspectos relativos à turbulência em sistemas com agitação são revistos na seção 2.4. A ocorrência da colisão e adesão caracteriza a “flotação verdadeira” (“true flotation”), que é efetivamente responsável pelo bom desempenho do processo de separação. Em contraposição a este importante mecanismo gerador de seletividade, existe o indesejado arraste hidrodinâmico ou “entrainment” (seção 2.7) que promove o

transporte de partículas finas, independentemente de sua natureza (hidrofílica ou hidrofóbica) para a camada de espuma.

No que diz respeito aos macroprocessos, para que partículas hidrofóbicas sejam coletadas por bolhas, é necessário que as primeiras estejam em adequado estado de suspensão no interior das células. Uma revisão sobre este assunto é apresentada na seção 2.6. Este assunto, que constitui o foco desta tese, é o resultado da ação mecânica (rotação) do impelidor no interior das células. Tal ação mecânica promove o recalque ou bombeamento de polpa das cotas mais baixas às mais altas das células de flotação. Esse assunto é abordado na seção 2.5. Na seção 2.8 é apresentada uma visão da literatura sobre suspensão de sólidos em tanques com agitação.

______________________________________________________________________

2.1 A flotação de minerais

A flotação é um processo amplamente utilizado no âmbito da Engenharia Mineral, na concentração de partículas sólidas, explotando as diferenças nas suas propriedades de superfície. De acordo com Gaudin (1957), flotação é o processo de separação de sólidos finamente divididos e suspensos em fase aquosa, em que os minerais que têm suas superfícies apropriadamente modificadas pela ação de reagentes químicos, aderem seletivamente a bolhas de ar introduzidas no sistema (partículas hidrofóbicas), enquanto que outras (partículas hidrofílicas) permaneceriam

“aderidas” à fase aquosa.

Para que a flotação seja realizada com êxito, algumas tarefas precisam ser inteiramente realizadas pela célula de flotação. Schulze (1984) enumera as seguintes operações que devem ser realizadas no tanque de flotação:

a) suspensão dos sólidos;

b) dispersão das bolhas de ar;

c) mistura dos reagentes;

d) modificação das interfaces dos minerais que se deseja separar.

Os parâmetros físico-químicos estão relacionados com o item (d), enquanto que as condições hidrodinâmicas governam os outros três (a,b e c), de tal forma que, uma vez ajustada a hidrofobicidade das partículas minerais, a hidrodinâmica do sistema vai ser o fator determinante para o sucesso da operação.

Os processos que governam a separação podem ser divididos em macroprocessos (os que envolvem as questões globais do meio), e os microprocessos, que dizem respeito às interações que ocorrem nas escalas de tamanho partícula-bolha, e que são considerados decisivos para o desempenho da flotação. Schulze (1989) destaca os seguintes microprocessos:

a) aproximação da partícula com a bolha de ar;

b) formação de um filme líquido entre a partícula e a bolha, até sua ruptura;

c) estabilização do agregado partícula-bolha contra as forças externas atuantes na célula de flotação;

d) transporte do agregado partícula-bolha para a camada de espuma.

Os macroprocessos ocorrem na escala dos equipamentos utilizados, gerando fluxo e distribuição de partículas sólidas e água ao longo do volume da célula (mistura) em decorrência da existência de macro turbulência do sistema.

Para que uma partícula sólida hidrofóbica seja coletada por uma bolha de ar, é necessário que haja a colisão entre ambas, seguida de adesão, isto é, com formação de um agregado partícula/bolha, e ainda, que este agregado seja suficientemente estável para que seja transportado até a camada de espuma e removido da célula de flotação.

2.2 Células de flotação

Dois tipos de equipamentos são hoje majoritariamente utilizados em escala industrial: células mecânicas e colunas de flotação.

Colunas de flotação constituem uma tecnologia mais recente, cuja patente é de 1961, mas o processo industrial só foi implementado em 1981, para a flotação “cleaner”

de molibdênio, na província de Quebec, no Canadá. No Brasil, as colunas industriais foram introduzidas em 1991 na flotação de quartzo em minério de ferro, na Samarco Mineração (TAKATA, 2006).

A suspensão de partículas grossas em colunas não constitui uma condição muito relevante para o desempenho do processo, devido ao fato da polpa ser alimentada no topo do equipamento e, consequentemente, todas as partículas, independentemente do tamanho, são transportadas para a base da coluna, pela ação da gravidade. Deste modo, elas têm múltiplas possibilidades de colidirem com as bolhas de ar que se movem em contra fluxo. Situação diversa, todavia, ocorre em células mecânicas, onde a ação do impelidor se faz necessária para promover a suspensão dos sólidos. Neste contexto, as propriedades das partículas (tamanho e massa específica) e a ação do impelidor constituem variáveis importantes que influenciam o status da suspensão e, como consequência, o desempenho do processo.

2.2.1 Células mecânicas de flotação

Células mecânicas de flotação são os equipamentos mais empregados na concentração de minérios ao redor do mundo (WILLS, 1988). O principal motivo para sua ampla utilização se baseia no fato de que, entre os primórdios do processo, em 1906, e o ano de 1981 (advento das colunas em escala industrial), somente este tipo de equipamento foi utilizado na indústria em larga escala.

Assim como os tanques condicionadores de reagentes e bombas centrífugas, células mecânicas são turbomáquinas, isto é, equipamentos cuja ação central se baseia no giro de um rotor que, segundo EK (1992), realiza as seguintes tarefas:

a) suspensão dos sólidos;

b) dispersão do ar introduzido em pequenas bolhas;

c) agitação turbulenta, proporcionando a colisão partícula-bolha;

d) transferência de polpa de uma célula para outra num circuito em série;

e) formação de uma camada de espuma no topo das células.

As células mecânicas de flotação dividem-se em dois grupos: células autoaeradas e células de aeração forçada. As de aeração forçada são aquelas em que o ar é injetado na região rotor/estator por meio de compressor externo (NELSON;

LELINSKI, 2000). Ao atingir a região do rotor da célula, o ar sofre cisalhamento e consequente dispersão na forma de pequenas bolhas (PATWARDHAN; JOSHI, 1999).

Neste tipo de configuração, a rotação do impelidor e a taxa de aeração (vazão de alimentação de ar) são independentes, ou seja, a mudança na magnitude de uma delas não afeta a outra. A Figura 2.1 ilustra dois modelos de células mecânicas de flotação de aeração forçada, fabricadas pela Metso Minerals e pela Outokumpu.

(a) (b)

(a) (b)

Figura 2.1 - Exemplo de células mecânicas de flotação de aeração forçada: (a) Célula Metso, e; (b) Célula Outokumpu.

As células autoeradas ou subaeradas são aquelas onde a injeção de ar é resultado do gradiente de pressão negativo na região do rotor da célula, promovido pelo giro do impelidor e, quando essa depressão é suficientemente alta, ocorre sucção de ar da atmosfera para o interior do equipamento, não necessitando a utilização de compressor de ar no circuito (PATWARDHAN; JOSHI, 1999). Diferentemente das células de aeração forçada, neste tipo de equipamento as variáveis rotação do impelidor e taxa de aeração não são independentes, isto é, existe impossibilidade de variação de uma delas sem que isso não acarrete uma mudança na outra. Células mecânicas de flotação subaeradas são as mais utilizadas no tratamento de minérios em todo o mundo (ARBITER, 1999). A Figura 2.2 ilustra uma célula de flotação subaerada do tipo Wemco.

Alimentação

Afundado Flutuado

Rotor

Alimentação

Afundado Flutuado

Rotor

Figura 2.2 - Célula de flotação Wemco.

Existem diferentes modelos de células mecânicas de flotação, com distintas geometrias do sistema rotor/estator. A Figura 2.3 ilustra as principais geometrias de rotores utilizados em células de flotação (LEAL FILHO, 2000).

a b

Figura 2.3 - Principais tipos de células e rotores utilizados em células mecânicas. (a), (c), (f), (g), (k)  Impelidor; (b)  Difusores de ar; (d) (e)  Estatores; (h)  Poço de recirculação; (j)  Dispositivo para entrada de polpa; (m)  Dispersor de bolhas de ar

(LEAL FILHO, 2000).

Um levantamento realizado por Leal Filho (2000) revelou que, no Brasil, a maioria das células mecânicas de flotação operando em circuitos industriais é do tipo subaerada, destacando-se as células Wemco, como mostra a Figura 2.4.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

Denver

Galigher

Outokumpu

Wemco

Outros

M ode los de Células de Flotação

Freqüência nas Usinas Brasileiras

Figura 2.4 - Modelos de células de flotação mais utilizados no Brasil (LEAL FILHO, 2000).

A escolha do equipamento leva em consideração aspectos econômicos, assim como facilidade de assistência técnica e manutenção. Segundo Wills (1988) os principais critérios para avaliar o desempenho de células de flotação são:

a) desempenho metalúrgico (recuperação e teor);

b) capacidade, expressa em toneladas tratadas por unidade de volume;

c) consumo de energia por tonelada de material tratado;

d) aspectos relacionados aos custos de aquisição, operacionais e de manutenção.

De acordo com Harris (1986), até 1965 o desenvolvimento das células mecânicas de flotação foi baseado totalmente no empirismo. A partir de 1965, através da identificação de faixas típicas de valores das variáveis do processo e de parâmetros adimensionais, a caracterização hidrodinâmica foi, aos poucos, sendo utilizada no

projeto e escalonamento de células mecânicas de flotação. A Tabela 2.1 ilustra as faixas típicas de valores das condições operacionais, enquanto que a Tabela 2.2 mostra os grupos adimensionais usados para caracterizar a hidrodinâmica de células mecânicas de flotação e suas faixas de valores típicos (HARRIS, 1986).

Com o desenvolvimento da mecânica dos fluidos computacional, a tendência é que o projeto de máquinas de flotação seja fundamentado na simulação da hidrodinâmica do processo, aplicando técnicas da Fluidodinâmica Computacional - CFD (LEAL FILHO; RODRIGUES; RALSTON, 2002; WEBER et al., 1999).

Tabela 2.1 - Faixa de valores típicos em células mecânicas de flotação (HARRIS, 1986).

Variáveis Faixa de valores

Relação D/T D=Diâmetro do impelidor

T=Diâmetro do tanque

0,25 – 0,5

Fração volumétrica de ar

10 – 15% (Valor médio da célula)

50% (Na região do impelidor)

90% (Na camada de espuma) Tamanho de bolhas  0,5 mm (Fortemente influenciado pela

concentração do espumante) Velocidade periférica do impelidor (v_p ND)

N=Rotação do impelidor

 6 – 9 m/s

Velocidade superficial do ar (JG)  0,7 – 4 cm/s

Tamanho dos sólidos  500 – 10 m

Potência  5,3 – 1,3 kW/m³

Células mecânicas de flotação aumentaram consideravelmente de volume nas últimas quatro décadas. Segundo Weber et al. (1999), até 1966 aproximadamente 95%

das células de flotação existentes, possuíam um volume de, no máximo, 1,70 m³ (60 ft³). Atualmente, de acordo com Villanueva; Weber e Prado (2005) está em operação na empresa mineradora Los Pelambres, no Chile, desde 2004, uma célula Wemco SmartCell nº 250, autoaerada, com capacidade útil de 257 m³. De acordo com os

autores, o que possibilitou o desenvolvimento de tal equipamento foi a ênfase dada a critérios hidrodinâmicos (velocidade superficial do ar, circulação de polpa e grau de mistura) durante o dimensionamento.

Tabela 2.2 – Grupos adimensionais usados para caracterizar a hidrodinâmica de células mecânicas de flotação (HARRIS, 1986).

Parâmetro adimensional Faixa de valores Fórmula Legenda

Número de Reynolds Harris (1986) está relacionado com custos operacionais mais baixos; melhor controle do processo; eficiência no consumo de energia e, principalmente, por não comprometer o desempenho do processo.

Por muito tempo, a hidrodinâmica dos sistemas de flotação foi relegada a um papel secundário, quando comparada com os parâmetros físico-químicos interfaciais envolvidos na flotação. No entanto, face à crescente quantidade de trabalhos relacionados a essa área de pesquisa, tal cenário tem mudado bastante e, cada vez mais, os fatores hidrodinâmicos são critérios efetivos de projeto e escalonamento em células de flotação (WEBER et al., 1999; ÇILEK; YILMAZER, 2003; VILLANUEVA;

WEBER; PRADO, 2005).

2.3 Dispersão do ar em células de flotação

Muito se tem pesquisado sobre a dispersão do ar em células de flotação, seja em células mecânicas ou em colunas (GOMES; FINCH, 2002; DEGLON; EGYA-MENSAH;

FRANZIDIS, 2000), numa tentativa de se descrever quantitativamente como os parâmetros de dispersão do ar influenciam o desempenho do processo de flotação.

Vários modelos têm sido propostos para descrever a dispersão de ar em células de flotação (DEGLON; SAWYERR; O’CONNOR, 1999; FRANZIDIS; MANLAPIG, 1999;

SCHULZE, 1992).

Os parâmetros de dispersão de ar (em células de flotação) são: velocidade superficial do gás (JG); percentagem de volume do equipamento ocupada pelo ar ou hold-up do ar, (g) e o diâmetro médio de bolhas (d32) que é representado pelo diâmetro médio de Sauter. Além de tais variáveis, há ainda uma quantidade derivada das anteriores, que é o fluxo de área superficial de bolhas (Sb), definido como a razão entre a área superficial de bolhas de ar que ascendem no tanque de flotação e a área transversal da célula, por unidade de tempo.

De acordo com Schubert apud Schubert e Bischofberger (1998), a dispersão do ar introduzido em células de flotação é efetuada, principalmente, pelo efeito que a flutuação de pressão atuante dentro do equipamento exerce sobre as bolhas de ar. A Figura 2.5 é ilustrativa de como a flutuação de pressão promove a dispersão das bolhas de ar em células mecânicas de flotação. Uma vez que as flutuações de pressão geram esforços cisalhantes (t), estes causam uma deformação das bolhas de ar esféricas, que é compensada pela pressão capilar (P). Toda vez que a tensão cisalhante sobrepujar a pressão capilar, a bolha será deformada e seccionada em unidades menores. Uma vez que o Número de Weber (We) constitui a razão entre forças inerciais e capilares, a quebra das bolhas em unidades menores ocorrerá quando We>1. As tensões de cisalhamento e a pressão capilar são expressas, respectivamente, pelas eqs. (2.1) e (2.2), de acordo com Schulze (1984).

 

²³

9 ,

1 _{L b}

t   d

 (2.1)

b LG

c d

P 4

 (2.2)

Em que t é a tensão de cisalhamento atuante na bolha de ar; L é a massa específica do fluido;  é a taxa de dissipação média de energia; db é o diâmetro da bolha; Pc é a pressão capilar e, LG é a energia livre interfacial líquido-gás.

Figura 2.5 - Deformação e dispersão de bolhas de ar devido às flutuações de pressão turbulenta em células de flotação (SCHUBERT; BISCHOFBERGER,1998).

A capacidade que o rotor possui de promover a dispersão do ar em células mecânicas de flotação pode ser avaliada sob o ponto de vista desta operação em tanques com agitação aerados. De acordo com Chapman et al. (1983a), em tanques com agitação com impelidores simples, duas configurações de escoamento podem ser identificadas (Figura 2.6):

(b)

(a) (c) (d) (e)

QGconstante

(b)

(a) (c) (d) (e)

Qarconstante

(b)

(a) (c) (d) (e)

QGconstante

(b)

(a) (c) (d) (e)

Qarconstante

Figura 2.6 - Dispersão de bolhas de ar em tanque com agitação com impelidor tipo turbina de pás retas (CHAPMAN et al. (1983a)).

a) A fase gasosa controla a hidrodinâmica do sistema (“flooding”). Ocorre quando a rotação do impelidor é muito baixa, ou a quantidade de ar introduzida no sistema é maior que sua capacidade para dispersá-lo. Tal situação é prejudicial à dispersão das bolhas de ar em tanques com agitação, conforme ilustra a Figura 2.6a-b;

b) O impelidor controla a hidrodinâmica do sistema (“loading”). À medida que a rotação do impelidor aumenta, este passa então a dispersar as bolhas de ar, provocando a circulação de bolhas de ar na parte superior do equipamento (Figura (2.6c)). Um posterior aumento na rotação do impelidor promove a dispersão completa do ar, em que ocorre a dispersão das bolhas de ar em todo o volume do tanque, como é ilustrado pela Figura 2.6d-e.

A Figura 2.6 também ilustra que, para que o ar seja totalmente disperso no tanque com agitação, é necessário que se atinja uma rotação mínima (ou rotação crítica de dispersão de ar). De acordo com Chapman et al. (1983b), a introdução de ar em sistemas com agitação altera os padrões de fluxo dentro do tanque, e o padrão original de escoamento só é restabelecido quando a rotação do impelidor for maior que a rotação crítica de dispersão das bolhas.

2.3.1 Velocidade superficial do ar

A velocidade superficial do ar (JG) é definida como o volume de ar que atravessa a secção transversal da célula por unidade de tempo. É uma medida da capacidade de aeração da célula de flotação, e um parâmetro muito importante devido a sua influência no desempenho da flotação. Pode ser expressa de acordo com a eq. (2.3).

c ar

G t A

J V

  (2.3)

Em que JG é a velocidade superficial do ar; Var é o volume de ar que atravessa a secção transversal da célula (Ac) e t é o intervalo de tempo decorrido nesse processo.

Considerando que o ar está uniformemente distribuído, o valor da velocidade superficial média JG pode ser expresso de acordo com a eq. (2.4).

c G ar

A

J Q (2.4)

Gorain; Franzidis e Manlapig (1996) desenvolveram um método de medida do J G

em circuito industrial. Tal método consistia em observar o tempo (t) gasto para que a interface líquido-ar percorresse uma determinada distância L dentro de um tubo cilíndrico transparente, e posterior aplicação da eq. (2.5).

t

J_G  L (2.5)

Os autores realizaram tais medidas numa célula de flotação de 2,8 m³, utilizando quatro diferentes tipos de impelidores, obtendo valores de JG que variaram de 0,29 cm/s a 6,4 cm/s, e os resultados foram utilizados para caracterizar a capacidade de dispersão de ar de cada impelidor.

Uma correção dos valores de J expressos pela eq. (2.5) pode ser efetuada, G

levando em consideração as diferenças de velocidade de ascensão do ar entre o ponto de coleta (dentro da polpa mineral) e o ponto de medida (fora da polpa, dentro do tubo cilíndrico). A eq. (2.6) ilustra um desses fatores de correção (WEEDON et al., 2005).

p p atm

w w p p atm G

G P gH

gH gH

J P

J 









 

 (2.6)

Em que J é o valor experimental da velocidade superficial do ar; G Patm é a pressão atmosférica; g é a aceleração da gravidade; w é a massa específica da água aerada dentro da sonda; Hw é a distância entre a extremidade inferior da sonda e a primeira marca que delimita a distância L percorrida pela interface ar-água; p é a massa específica da polpa aerada, e Hp é a altura da coluna de polpa entre a interface camada de espuma/polpa e o ponto de coleta das bolhas de ar. A Figura 2.7 ilustra o equipamento utilizado nas medições.

Vários sensores foram desenvolvidos para possibilitar a realização de medidas de JG em células mecânicas e colunas de flotação (FALUTSU, 1994; GOMEZ; FINCH, 2002; GRAU; HEISKANEN, 2003; TORREALBA-VARGAS, 2004), procurando sempre relacionar o valor desse parâmetro de dispersão com o desempenho metalúrgico do processo.

Alimentação Afundado

Figura 2.7 – Medição do JG em célula mecânica industrial (WEEDON et al., 2005).

2.3.2 Hold-up em células de flotação

A fração volumétrica ocupada pelo ar em células de flotação é chamada hold-up do ar. No jargão da Engenharia de Minas, é empregado amplamente o termo em inglês.

O hold-up do ar é calculado de acordo com a eq. (2.7), em que Var é o volume ocupado

Em sistemas de laboratório, de dimensões reduzidas, é possível a determinação do hold-up do ar por meio da técnica de expansão do leito (TAVERA; GOMEZ; FINCH, 1996). Em escala industrial esse procedimento não é trivial, visto que promove uma perturbação no sistema, a medida é cheia de incertezas quanto à medição do nível de

polpa, e o resultado fornece apenas uma informação sobre o valor global desse parâmetro, não revelando nada sobre o seu comportamento em cada ponto da célula de flotação, ou seja, não fornece nenhuma informação sobre a dispersão local de ar no equipamento.

2.3.3 Diâmetro de bolhas (d32) e fluxo de área superficial de bolhas (Sb)

Um parâmetro de dispersão de ar utilizado para interpretar o desempenho da flotação é o diâmetro médio de bolhas, que é geralmente representado pelo diâmetro médio de Sauter (d32), definido de acordo com a eq. (2.8), em que di é o diâmetro da esfera de igual volume que a bolha.







i i i

i

d d

d ₂

3

32 (2.8)

As bolhas de ar são geradas na região rotor/estator e, à medida que ascendem

As bolhas de ar são geradas na região rotor/estator e, à medida que ascendem

No documento SUSPENSÃO DE PARTÍCULAS GROSSAS EM CÉLULAS MECÂNICAS DE FLOTAÇÃO (páginas 27-0)